二茂铁柴油实验报告完成版.doc
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华南师范大学实验报告
学生姓名吴健华学号20102401046
专业化学（师范）班级10化学五班
课程名称化学综合实验 实验类型：
□验证□设计√综合
实验时间2014年3月27日指导老师何广平老师
预习码：
56096实验评分
二茂铁对柴油的助燃和消烟作用
一、前言
1.1.实验目的
（1）了解二茂铁的应用，特别是作为一种优良的燃料助燃催化剂，其重要的经济价值与环保价值。
（2）掌握利用氧弹卡计测量油品燃烧所产生的热量的操作技术，应用CACE系统评价油品的燃烧效率。
（3）学会评价自制的二茂铁对柴油的助燃和消烟作用。
1.2.文献综述与总结
二茂铁[（C5H5）2Fe]是一种具有芳香族性质的有机过渡金属化合物，在常温下为橙黄色针状或粉末状结晶物，具有类似樟脑的气味，熔点173～174℃，沸点249℃，不溶于水，而溶于甲醇、乙醇、乙醚、苯、汽油、煤油、柴油等有机溶剂，具有高度热稳定性和耐辐射性，加热到470℃也不分解。
在化学性质上，二茂铁与芳香族化合物相似，不易发生加成反应，容易发生取代反应。
自20世纪50年代人类首次成功合成二茂铁以来，二茂铁及其衍生物的合成与应用得到广泛地研究。
文献报道二茂铁的制备方法有多种，归纳起来可分为化学合成法和电化学合成法。
电化学法电耗高，不适合电力紧张、电价高的地区，且电化学法难以得到高纯度产品。
在化学合成法中有醇钠法、乙二胺法、相转移催化合成法、二甲基亚矾法等，这些方法各有其优缺点，其中醇钠法、二甲基亚矾法工艺简单，对环境污染少，具有实际生产意义。
醇钠法又有甲醇钠法和乙醇钠法，成本较低，但要求无水操作。
甲醇钠法毒性较大，而乙醇钠法安全无毒，操作环境好。
二甲基亚飒法没有无水要求，操作方便，生产安全，毒性小，但生产成本较醇钠法高。
二茂铁有多种用途，其主要用途是作燃料助燃剂。
二茂铁添加到固体燃料、液体燃料中，可以起到明显的消烟、助燃和节省燃料的作用。
尤其是添加到燃烧时会产生大量黑烟的烃类中，其效果尤为显著。
二茂铁对芳烃燃烧时的消烟作用最好，其次为烯烃、环烷烃、烷烃。
二茂铁还可用于提高汽油辛烷值，可代替四乙基铅制得无铅汽油。
由于二茂铁的这种助燃、消烟作用，可以起到提高发动机功率、节能和减少大气污染的效果，它是一种优良的环保、节能产品。
此外，二茂铁及其衍生物还可以用作紫外线吸收剂、热稳定剂和光稳定剂，在医药和其它领域也得到独特应用。
我们以前曾对二甲基亚矾法制二茂铁进行了比较深入的研究和改进，前人实验曾有对乙醇钠法合成二茂铁的影响因素进行研究和探讨，旨在为工业生产提供最佳的合成路线和工艺条件，并对二茂铁添加到柴油中的助燃消烟作用进行了初步的考察。
目前，二茂铁衍生物多达数百种。
二茂铁及其衍生物最广泛的用途是作为催化剂，如不对称催化、羟醛缩合、烯烃常压氢化、芳酮硅烷化等。
二茂铁及其衍生物还可以作为燃料油添加剂。
二茂铁添加到固体燃料、液体燃料中，可以起到明显的消烟、助燃和节省燃料的作用。
尤其是添加到燃烧时会产生大量黑烟的烃类中，其效果尤为显著。
二茂铁对芳烃燃烧时的消烟作用最好，其次为烯烃、环烷烃、烷烃。
二茂铁还可用于提高汽油辛烷值，可代替四乙基铅制得无铅汽油。
由于二茂铁的这种助燃、消烟作用，可以起到提高发动机功率、节能和减少大气污染的效果，它是一种优良的环保、节能产品。
二、实验部分
2.1.实验原理
（1）燃烧热测量原理：
利用氧弹卡计测量柴油燃烧产生的热量。
根据能量守恒定律，样品完全燃烧放出的热量促使卡计本身及其周围的介质（本实验用水）温度升高，测量介质燃烧前后温度的变化，就可以求算出该样品的恒容燃烧热，在量热计与环境没有热交换的情况下，其关系式为：
m样QV=W（卡+水）ΔT-m点火丝Q点火丝
式中，m样——样品的质量，g；
Qv——样品的恒容燃烧热，J/g；
W（卡+水）——氧弹卡计和周围介质的热当量，J/K，它表示卡计和水每升高1K所需要吸收的热量；W（卡+水）=14541.35（J/K）；
m点火丝——点火丝的质量，g；
Q点火丝——点火丝（铁丝）在恒容条件下燃烧放出热量，Q点火丝=6694.4J/g；
ΔT——燃烧过程中温度的升高值，可利用CACE系统追踪燃烧过程中ΔT，经过雷诺作图法或计算法可校正由于系统热漏等原因产生的ΔT的测量偏差。
通过上述公式可计算分别测量柴油和在柴油中加入二茂铁后柴油燃烧放出的热量的燃烧值，即可研究二茂铁作为柴油燃烧的添加剂对柴油燃烧效率的影响规律。
本实验以ΔT/m（单位重量柴油燃烧引起温度变化值）研究添加剂对柴油燃烧效率的影响规律。
（2）完全燃烧条件下二茂铁对燃油燃烧效率及燃烧速率的影响
作为柴油燃烧的添加剂，二茂铁在实验条件下其本身并不燃烧，而是起到催化助燃作用。
根据上面的实验原理与方法，在柴油完全燃烧的条件下，测量柴油在加入二茂铁和未加入二茂铁时燃烧前后温度随时间的变化，通过ΔT/m（单位重量柴油燃烧引起温度变化值）以及ΔT/Δt（即单位时间温度随时间的变化率），即可研究二茂铁作为添加剂对柴油燃烧的效率和速率的影响规律。
（3）不完全燃烧条件下二茂铁对燃油燃烧效率及燃烧速率的影响
根据上面的实验原理和方法，对于不完全燃烧条件下二茂铁对柴油燃烧的影响可从燃烧速率（ΔT/Δt），燃烧效率（ΔT/m）以及燃烧后炭渣的重量和尾气成分的变化三个方面进行研究，尾气可以通过氧弹装置中的排气孔收集，利用有关的分析方法进行尾气的定性和定量测定。
以寻找二茂铁与柴油量的最佳配比，从而了解二茂铁作为柴油燃烧过程中的添加剂其环保价值和经济价值。
2.2.仪器与药品
（1）主要仪器：
氧弹式量热装置、紫外分光光度计、数显温差测量仪、贝克曼温度计、电子天平、万用电表、烧杯、量筒、比色管、移液管、容量瓶、玻板吸收瓶。
（2）主要试剂：
二茂铁、柴油、高压氧气瓶、二氧化硫标准吸收液（甲醛缓冲吸收液）、盐酸副玫瑰苯胺（PRA）0.05%、氨磺酸钠0.06%、氢氧化钠（1.5mol/L）、二氧化氮显色液、亚硝酸钠标准使用液（2.5μg/mL）、二氧化硫标准使用液（1μg/mL）。
2.3.实验步骤
（1）不完全燃烧条件下二茂铁对柴油燃烧燃值和燃烧速率的影响（充氧压力:
9atm）。
①称取柴油1.2g,测量柴油燃烧前后温度随时间变化曲线,经雷诺作图法求取△T;
②称取柴油1.2g,加入二茂铁（自合成样品或标准试剂样品），使柴油中二茂铁含量1.0%，测量柴油燃烧前后温度随时间变化曲线,经雷诺作图法求取△T;
③通过△T，分别计算柴油和添加了二茂铁柴油燃烧QV、△T/W;并仔细观察坩埚灰渣情况和排出气体气味,称量灰渣重量.
④通过燃烧反应曲线,通过燃烧时温度上升的速率和△T，求取△T/△t.g比较不同配比的柴油其燃烧速率的差异.
⑤分别测定含量柴油和添加了二茂铁柴油燃烧后尾气排放中二氧化硫和二氧化氮的含量.
（2）二氧化硫气体的测定实验步骤
①二氧化硫标准曲线的绘制
i.取12支10ml具塞比色管，分A、B两组，分别对应编号，A组按下表配制标准系列浓度溶液：
二氧化硫标准系列（标准液浓度1.00μg/mL）
管号
0
1
2
3
4
5
二氧化硫标准液/（mL）
0
0.50
1.00
2.00
5.00
8.00
二氧化硫吸收液/（甲醛吸收液）
10.00
9.50
9.00
8.00
5.00
2.00
二氧化硫含量/（μg）
0
0.50
1.00
2.00
5.00
8.00
二氧化硫含量/（μg/mL）
0
0.05
0.10
0.20
0.50
0.80
ii.B管组各管中分别加入0.05%PRA（盐酸副玫瑰苯胺，显色剂）使用液1ml。
iii.A管组分别加入0.06%胺磺酸钠溶液0.5ml（用于屏蔽溶液中氮氧化物对测定的干扰），1.5mol/L氢氧化钠0.5mL，混匀。
iv.迅速分别将A组逐管中溶液全部倒入对应编号并已装有PRA使用液的B管中。
立即具塞摇匀后显色5min后，以水为参比溶液，在577nm处测定样品中二氧化硫含量。
v.将扣除空白试样的吸光度与二氧化硫含量作图,可得二氧化硫标准曲线。
②样品测定
将4.00mL二氧化硫吸收液（甲醛吸收液）放入吸收瓶中，用于吸收氧弹中的燃烧尾气。
然后将吸收瓶中的样品全部移入10ml比色管中,用少量二氧化硫吸收液（甲醛吸收液）洗涤吸收管,倒入比色管中,并用吸收液稀释至5.0ml标线.
加入0.060%胺磺酸钠0.5mL，摇匀。
放置10min，以除去氮氧化物干扰,加入1.50mL/mol氢氧化钠0.5mL，混匀。
再将此管中溶液倒入已装入PRA使用液1mL的比色管中,具塞摇匀，室温下显色5min，在577nm处测定所测样品消光值。
根据消光值通过二氧化硫标准曲线查得相应二氧化硫浓度，根据所测样品总体积计算排放的二氧化硫总量，以每克柴油放出二氧化硫的微克数衡量燃烧尾气中二氧化硫的排放量。
（3）二氧化氮气体的测定方法------盐酸萘乙二胺分光光度法
①二氧化氮标准曲线的绘制
i.取六支10ml具塞比色管，按下表配置成亚硝酸钠标准溶液系列
二氧化氮标准系列（标准液浓度2.50μg/mL）
管号
0
1
2
3
4
5
亚硝酸钠标准液/（mL）
0
0.40
0.80
1.20
1.60
2.00
水/（mL）
2.00
1.60
1.20
0.80
0.40
0
显二氧化氮色液/（mL）
8.00
8.00
8.00
8.00
8.00
8.00
亚硝酸浓度/（μg/mL）
0
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
ii.将各管混合均匀,置于暗处中放置20min（室温低于20℃时显色40min以上）后,用1cm比色皿,在波长540nm处，以水为参比液，测定其吸光度.
iii.将扣除空白试样的吸光度与亚硝酸浓度作图,可得亚硝酸钠标准曲线.
②样品测定
将5.00mL二氧化氮显示液放入吸收瓶中,用于吸收氧弹中的燃烧尾气.然后将吸收瓶中的样品暗处放置20min（室温低于20℃时显色40min以上）,用1cm比色皿,在波长540nm处，以水为参比液，测定其吸光度，将所测消光值在二氧化硫标准曲线上查得相应二氧化硫浓度，根据所测样品总体积计算排放二氧化硫的总量，以每克柴油放出二氧化硫的微克数衡量尾气中二氧化氮的排放量。
2.4．实验现象与结果
（1）不完全燃烧条件下二茂铁对柴油燃烧燃值及燃烧速率的影响：
将每一次测定柴油燃烧过程的温度变化数据绘成“温度-时间”曲线，并用雷诺校正法求得柴油燃烧过程中温度的变化差值ΔT，根据公式计算不同配比柴油燃烧热。
各次的温度随时间的变化经雷诺校正后的图象如下图所示：
无二茂铁助燃下柴油燃烧的温度曲线（吸收SO2）
有二茂铁助燃下柴油燃烧的温度曲线（吸收SO2）
无二茂铁助燃下柴油燃烧的温度曲线（吸收NO2）
有二茂铁助燃下柴油燃烧的温度曲线（吸收NO2）
吸收SO2
吸收NO2
柴油
柴油（加二茂铁）
柴油
柴油（加二茂铁）
柴油质量/g
1.2182
1.2048
1.2219
1.2140
铁丝质量/g
0.0124
0.0124
0.0123
0.0123
残余铁丝质量/g
0.009
0.0115
0.007
0.0095
燃烧铁丝质量/g
0.0034
0.0009
0.0053
0.0028
燃烧温度升高值/℃
2.272
2.270
2.359
2.340
灰渣重量/g
0.2930
0.1305
0.3230
0.1542
根据实验数据以及公式m样QV=W（卡+水）ΔT-m点火丝Q点火丝
则有
∴
Δ
Δ
对其他三组数据分别进行计算，整理得下表：
二茂铁-柴油混合体系不完全燃烧过程的燃烧效率和燃烧速率
ΔT/K
Δt/s
Qv/（J/mol）
T/Δt（K/s）
ΔT/m/（K/g）
吸收SO2
柴油
2.272
360
35684.4
6.311×10-3
2.456
柴油（加二茂铁）
2.270
330
30720.3
6.879×10-3
2.113
吸收NO2
柴油
2.359
360
38121.7
6.553×10-3
2.624
柴油（加二茂铁）
2.340
330
32089.1
7.091×10-3
2.208
（2）燃烧过程SO2含量的测定：
不同浓度梯度溶液的SO2浓度和相应测得的吸光度数据如下：
SO2浓度梯度溶液中吸光度随SO2含量变化表
SO2含量（μg/mL）
0
0.05
0.1
0.2
0.5
0.8
吸光度A
0.062
0.077
0.088
0.122
0.219
0.306
二氧化硫含量标准曲线
拟合得到的SO2标准曲线方程为：
y=0.309x+0.0607，其中R2=0.9993，将不加入以及加二茂铁的柴油样品燃烧后二氧化硫的吸收液的吸光度在标准曲线上取点计算得：
样品吸光度A
SO2含量/（μg/mL）
每克柴油燃烧放出的SO2量/（μg/g）
不加二茂铁
0.075
0.0463
0.314
加二茂铁
0.068
0.0236
0.126
（2）燃烧过程NO2含量的测定：
不同浓度梯度溶液的NO2浓度和相应测得的吸光度数据如下：
NO2浓度梯度溶液中吸光度随NO2含量变化表
NO2含量（μg/mL）
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
吸光度A
0.019
0.127
0.228
0.312
0.424
0.539
二氧化氮含量标准曲线
拟合得到NO2含量的标准曲线方程为：
y=1.0214x+0.0195，其中R2=0.9982，将不加入以及加二茂铁的柴油样品燃烧后二氧化氮的吸收液的吸光度在标准曲线上取点如下表所示：
样品吸光度A
NO2含量/（μg/mL）
每克柴油燃烧放出的NO2量/（μg/g）
不加二茂铁
0.155
0.133
0.578
加二茂铁
0.362
0.335
1.234
三、实验分析与讨论
在本实验中，由4组不同的燃烧实验，分别加入与不加入二茂铁情况下，得到的实验数据如上述所示。
我们可以发现，当加入二茂铁助燃的条件下，柴油燃烧质量更多，燃烧速率增大，有利于柴油的充分高效燃烧。
除此以外，单位质量柴油燃烧时放出热量更少。
而用废气吸收装置吸收反应生成的SO2和NO2，测定吸光度拟合曲线，发现有二茂铁助燃情况下的每克柴油放出的SO2的质量更少，而NO2量更多。
对于本次实验，可能出现这种现象的原因如下：
（1）添加二茂铁后柴油燃烧的质量更多，灰渣的含量减少，证明二茂铁促进柴油的完全燃烧。
除此，添加了二茂铁后，柴油燃烧速率升高，说明二茂铁对柴油燃烧速率有促进作用；但单位质量柴油燃烧时放出热量更少，与理论不符，可能由于操作失误或操作不当等其他因素引起，导致实验结果偏小。
（2）根据实验，添加二茂铁后柴油燃烧放出SO2的含量减少，说明二茂铁对柴油的燃烧具有消烟作用，减少烟尘对大气的污染；而在吸收NO2的实验组中，加入二茂铁后，每克柴油燃烧放出的NO2量更多。
这可能是由于柴油燃烧的主产物应为CO2和水，而NO2并非主要产物。
柴油燃烧生成的NO 2含量多少取决于柴油中的氮含量以及空气中的氮气有否进入反应容器中。
四、结论
由本实验数据以及分析得知，二茂铁在柴油的燃烧中起着节能消烟助燃的作用，使得柴油的燃烧更为充分，剩余残渣更少，燃烧速率更快；与此同时柴油燃烧时放出的SO2的量也较低，对环境的污染更少。
总体而言，二茂铁作为一种易制备，少污染的助燃剂，在工业生产和生活上有可推广应用的前景，符合可持续发展和和谐社会的理念。
通过本次实验了解到二茂铁以及其衍生物的应用，特别是作为一种燃料助燃催化剂，其具有不可比拟的经济效益与环保价值。
五、参考文献
[1]何广平，章伟光.二茂铁的合成及二茂铁对柴油燃烧速率和燃烧效率影响的研究[J].临析师范学院，2004，,26（6）：
96-98
[2]张仁,李建华,翁武军.二茂铁燃速催化剂的发展状况［J］.推进技术.1994.6（3）:
62-65
[3]郭建勋.二茂铁——优良的燃料燃速催化剂［J］.陕西化工.1995
（1）:
35-38.
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